在XILINX公司FPGA的單元結(jié)構(gòu)中，為了實現(xiàn)快速的數(shù)學運算設置了許多專用的進位邏輯資源。這些進位邏輯的延時很小，而且它們之間可以相互連接組成進位線，可以使用這種專用的進位線作為延遲線來實現(xiàn)時間內(nèi)插。如圖3所示，設計中使用了Spartan-3系列的FPGA中專用的進位邏輯逐個連接組成延遲線，一個進位邏輯由查找表（LUT）、專用選通器(MUXCY)和專用異或門（XORCY）三部分構(gòu)成。其總體結(jié)構(gòu)上類似一個多位二進制加法器,兩個輸入的各位分別被置為1和0，進位信號沒來時加法器各位均為1。當進位信號到來時就會沿著進位線一級一級地傳輸，加法器每一位輸出值的變化就代表著信號的延遲信息，時鐘前沿到達時就可以將這些信息鎖存入觸發(fā)器中。圖4是在一個時鐘周期的仿真中延遲線單元輸出經(jīng)過的延遲單元的個數(shù)，進行直線擬合后的結(jié)果為：

　　所以延遲線單元的測量分辨率約為1/8.257 4=0.121 ns.

　　1.4 計數(shù)器模塊的設計

　　圖5簡單描述了計數(shù)器模塊的基本構(gòu)造。在計數(shù)器模塊的設計中，使用了Spartan-3系列的數(shù)字時鐘管理器，主要目的是將晶振時鐘信號倍頻后作為計數(shù)器的工作時鐘，保證時鐘周期小于延遲線的總延時。根據(jù)時序仿真所確定的延遲線單元的測量分辨率及長度參數(shù)，將晶振頻率倍頻為200 MHz。

　　時鐘前沿附近計數(shù)器輸出為亞穩(wěn)態(tài)，如果1-pps信號恰好在這個時刻到達，便會將錯誤的計數(shù)值鎖存。為了解決這個問題，模塊中使用數(shù)字時鐘管理器輸出相位差為180°的兩路時鐘,分別驅(qū)動兩個計數(shù)器同時工作，這樣無論任何時刻都能保證其中之一的輸出為正確值，之后再對兩者進行判斷選擇。選擇信號由延遲線單元提供，通過統(tǒng)計1-pps信號經(jīng)過延遲單元的個數(shù)來確定1-pps信號與時鐘前沿的時差，然后輸出select信號。

　　兩個計數(shù)器進行循環(huán)計數(shù)，每個計數(shù)器都連接著兩組寄存器，其中一組將GPS秒脈沖信號作為工作時鐘；另一組的時鐘信號與對應計數(shù)器的時鐘相連接，且其使能端與100 kHz分頻信號相連。當GPS秒脈沖和100 kHz信號到來時，便會將計數(shù)值送入相應的寄存器組。這樣可以充分利用FPGA的全局時鐘資源，使相應的寄存器組都使用同一時鐘，保證寄存器觸發(fā)的同步性。此外，使用循環(huán)計數(shù)的方式也解決了傳統(tǒng)起停型計數(shù)器由于啟動和停止信號不滿足建立保持時間而造成計數(shù)器輸出錯誤的問題。當1-pps信號與100 kHz信號的前沿都到達后，中斷單元將輸出中斷信號，用于通知PicoBlaze軟核讀取測量結(jié)果。